Modelado del acelerador lineal (LinAc) TrueBeam de Varian para su uso en la planificación de tratamientos en radioterapia (RTP) mediante Monte Carlo. Validación experimental

Abstract

[ES] En radioterapia, una de las tareas más importantes es planificar previamente el tratamiento de los pacientes a través de simulaciones con un software específico. El presente Trabajo Final de Grado tiene como finalidad validar un modelo computacional del acelerador lineal (LinAc) TrueBeam, de la compañía Varian Medical Systems, mediante simulaciones de Monte Carlo. Con esto, se pretende conseguir una caracterización del transporte de partículas del haz de fotones de tratamiento desde su origen en el cabezal del LinAc hasta el paciente, de forma que el método de Monte Carlo se pueda trasladar al cálculo de dosis en planificación y sustituya o complemente a los planificadores deterministas que se están utilizando actualmente en la práctica clínica.

El procedimiento de este estudio consiste en diseñar un modelo CAD 3D del cabezal del acelerador lineal objeto de estudio, para posteriormente realizar un mallado que permita definir mejor su geometría. Este modelo geométrico mallado se incluirá en las simulaciones del código Monte Carlo MCNP versión 6. Finalmente, la validación de los resultados de las simulaciones se realizará mediante una comparación entre las curvas de dosis en profundidad y perfiles de dosis calculados en una cuba de agua mediante el software de simulación MCNP6 y las obtenidas a través de medidas experimentales en el Hospital La Fe de Valencia. Tras esta validación, será posible sustituir el objeto irradiado, que en este caso se trata de una cuba de agua, por el modelo de un paciente, con el propósito de realizar las simulaciones pertinentes y analizar la dosis recibida en tratamientos reales.

Las discrepancias observadas entre la dosis calculada en la simulación Monte Carlo y los datos experimentales pueden deberse principalmente a la limitada información de la que se dispone sobre el espectro energético del haz, aspectos dimensionales de la geometría y la composición de los materiales de algunos elementos que componen el cabezal del acelerador. Aun así, las curvas de dosis calculadas se ajustan debidamente a las experimentales, lo cual demuestra que el código MCNP6 es capaz de simular el funcionamiento del cabezal de un acelerador lineal de electrones de uso clínico, y también de calcular con precisión y mediante tiempos de cómputo admisibles, la distribución espacial de la dosis depositada por el haz de radiación ionizante emitido por dicho acelerador.

[EN] In radiotherapy, one of the most important tasks is to previously plan the treatment of patients through simulations with a specific software. The purpose of this Final Degree Project is to validate a computational model of the TrueBeam linear accelerator (LinAc), from the company Varian Medical Systems, through Monte Carlo simulations. The aim is to characterise the particle transport of the treatment photon beam from its origin in the LinAc head to the patient, so that the Monte Carlo method can be transferred to dose calculation in treatment planning and replace or complement the deterministic treatment planning systems currently used in clinical practice.

The procedure of this study consists of designing a 3D CAD model of the linear accelerator head under study, and then meshing it in order to better define its geometry. This meshed geometric model will be included in the simulations of the Monte Carlo code MCNP version 6. Finally, the results of the simulations will be validated by comparing the depth dose curves and dose profiles calculated in a water tank using the MCNP6 simulation software and those obtained through experimental measurements at the La Fe Hospital in Valencia. After this validation, it will be possible to replace the irradiated object, which in this case is a water tank, with a model of the patient, in order to carry out the relevant simulations and analyze the dose received in real treatments.

The differences observed between the dose calculated in the Monte Carlo simulation and the experimental data may be mainly due to the limited information available on the energy spectrum, dimensional aspects of the geometry and material composition of the accelerator head elements. Even so, the calculated dose curves are well adjusted to the experimental ones, which shows that the MCNP6 code is able to simulate the operation of the head of a linear accelerator for clinical use, and also to calculate accurately and with admissible computational times, the spatial distribution of the dose deposited by the beam of ionising radiation emitted by the accelerator.

[CA] En radioteràpia, una de les tasques més importants és planificar prèviament el tractament dels pacients per mitjà de simulacions amb un programa específic. El present Treball Final de Grau té com a finalitat validar un model computacional de l'accelerador lineal (LinAc) TrueBeam, de la companyia Varian Medical Systems, mitjançant simulacions de Monte Carlo. Amb això, es pretén aconseguir una caracterització del transport de partícules del feix de fotons de tractament des del seu origen en el capçal del LinAc fins al pacient, de manera que el mètode de Monte Carlo es puga traslladar al càlcul de dosi en planificació i substituïsca o complemente als planificadors deterministes que s'estan utilitzant actualment en la pràctica clínica. El procediment d'aquest estudi consisteix a dissenyar un model CAD 3D del capçal de l'accelerador lineal objecte d'estudi, per a posteriorment realitzar un emmallat que permeta definir millor la seua geometria. Aquest model geomètric emmallat s'inclourà en les simulacions del codi Monte Carlo MCNP versió 6. Finalment, la validació dels resultats de les simulacions es realitzarà mitjançant una comparació entre les corbes de dosi en profunditat i perfils de dosi calculats en una cuba d'aigua mitjançant el software de simulació MCNP6 i les obtingudes per mitjà de mesures experimentals a l'Hospital La Fe de València. Després d'aquesta validació, serà possible substituir l'objecte irradiat, que en aquest cas es tracta d'una cuba d'aigua, pel model d'un pacient, amb el propòsit de realitzar les simulacions pertinents i analitzar la dosi rebuda en tractaments reals. Les discrepàncies observades entre la dosi calculada en la simulació Monte Carlo i les dades experimentals es poden deure principalment a la limitada informació de la qual es disposa sobre l'espectre energètic del feix, aspectes dimensionals de la geometria i la composició dels materials d’alguns elements que componen el capçal de l'accelerador. Així i tot, les corbes de dosi calculades s'ajusten degudament a les experimentals, la qual cosa demostra que el codi MCNP6 és capaç de simular el funcionament del capçal d'un accelerador lineal d'electrons d'ús clínic, i també de calcular amb precisió i mitjançant temps de còmput admissibles, la distribució espacial de la dosi depositada pel feix de radiació ionitzant emés pel accelerador.